电力系统功率特性和功率极限实验



电

力

系

统

实

验

指

导

书

第四章  电力系统功率特性和功率极限实验

一、实验目的

1．初步掌握电力系统物理模拟实验的基本方法；

2．加深理解功率极限的概念，在实验中体会各种提高功率极限措施的作用；

3．通过对实验中各种现象的观察，结合所学的理论知识，培养理论结合实际及分析问题的能力。

二、原理与说明

所谓简单电力系统，一般是指发电机通过变压器、输电线路与无限大容量母线联接而且不计各元件的电阻和导纳的输电系统。

对于简单系统，如发电机至系统d轴和q轴总电抗分别为Xd 和Xq ，则发电机的功率特性为：

当发电机装有励磁调节器时，发电机电势Eq随运行情况而变化。根据一般励磁调节器的性能，可认为保持发电机E q（或E ）恒定。这时发电机的功率特性可表示成：

或    

这时功率极限为

随着电力系统的发展和扩大，电力系统的稳定性问题更加突出，而提高电力系统稳定性和输送能力的最重要手段之一是尽可能提高电力系统的功率极限，从简单电力系统功率极限的表达式看，提高功率极限可以通过发电机装设性能良好的励磁调节器以提高发电机电势、增加并联运行线路回路数或串联电容补偿等手段以减少系统电抗、受端系统维持较高的运行电压水平或输电线采用中继同步调相机或中继电力系统以稳定系统中继点电压等手段实现。

三、实验项目和方法

（一）无调节励磁时功率特性和功率极限的测定

1．网络结构变化对系统静态稳定的影响（改变x）

在相同的运行条件下（即系统电压Ux、发电机电势保持Eq保持不变，即并网前Ux=Eq），测定输电线单回线和双回线运行时，发电机的功一角特性曲线，功率极限值和达到功率极限时的功角值。同时观察并记录系统中其他运行参数（如发电机端电压等）的变化。将两种情况下的结果加以比较和分析。

实验步骤：

（1）输电线路为单回线；

（2）发电机与系统并列后，调节发电机使其输出的有功和无功功率为零；

（3）功率角指示器调零；

（4）逐步增加发电机输出的有功功率，而发电机不调节励磁；

（5）观察并记录系统中运行参数的变化，填入表4-1中；

（6）输电线路为双回线，重复上述步骤，填入表4-2中。

表4-1                          单回线

	0	20	40	60	80
P	0
IA	0
Uz
UF
IL
Q	0

表4-2                         双回线

	0	20	40	60	80
P	0
IA	0
Uz
UF
IL
Q	0

注意：

（1）有功功率应缓慢调节，每次调节后，需等待一段时间，观察系统是否稳定，以取得准确的测量数值。

（2）当系统失稳时，减小原动机出力，使发电机拉入同步状态。

2．发电机电势Eq不同对系统静态稳定的影响

在同一接线及相同的系统电压下，测定发电机电势Eq不同时（EqUx）发电机的功一角特性曲线和功率极限。

实验步骤：

（1）输电线为单回线，并网前Eq（2）发电机与系统并列后，调节发电机使其输出有功功率为零； 

（3）逐步增加发电机输出的有功功率，而发电机不调节励磁；

（4） 观察并记录系统中运行参数的变化，填入表4-3中；

（5） 输电线为单回线，并网前Eq>Ux，重复上述步骤，填入表4-4中。

表4-3                            单回线           并网前Eq

	0	20	40	60	80
P	0
IA	0
Uz
UF
IL
Q	0－

表4-4                           单回线        并网前 Eq>Ux

	0	20	40	60	80
P	0
IA	0
Uz
UF
IL
Q	0+

（二）手动调节励磁时，功率特性和功率极限的测定

给定初始运行方式，在增加发电机有功输出时，手动调节励磁保持发电机端电压恒定，测定发电机的功一角曲线和功率极限，并与无调节励磁时所得的结果比较分析，说明励磁调节对功率特性的影响。

实验步骤：

（1）单回线输电线路；

（2）发电机与系统并列后，使P=0，Q=0， =0，校正初始值；

（3）逐步增加发电机输出的有功功率，调节发电机励磁，保持发电机端电压恒定或无功输出为零；

（4）观察并记录系统中运行参数的变化，填入表4-5中。

表4-5                          单回线           手动调节励磁

	0	20	40	60	80
P	0
IA	0
Uz
UF
IL
Q	0

表4-6                          双回线           手动调节励磁

	0	20	40	60	80
P	0
IA	0
Uz
UF
IL
Q	0

（三）自动调节励磁时，功率特性和功率极限的测定

将自动调节励磁装置接入发电机励磁系统，测定功率特性和功率极限，并将结果与无调节励磁和手动调节励磁时的结果比较，分析自动励磁调节器的作用。

1．微机自并励（恒流或恒压控制方式），实验步骤自拟；

表4-7                          单回线           微机自并励方式

	0	20	40	60	80
P	0
IA	0
Uz
UF
IL
Q	0

表4-8                          双回线           微机自并励方式

	0	20	40	60	80
P	0
IA	0
Uz
UF
IL
Q	0

2．微机它励（恒流或恒压控制方式），实验步骤自拟。

表4-9                          单回线           微机它励方式

	0	20	40	60	80
P	0
IA	0
Uz
UF
IL
Q	0

表4-10                          双回线           微机它励方式

	0	20	40	60	80
P	0
IA	0
Uz
UF
IL
Q	0

注意事项：

1．调速器处停机状态时，如果“输出零”灯不亮，不可开机；

2．实验结束后，通过励磁调节使无功输出为零，通过调速器调节使有功输出为零，解列之后按下调速器的停机按钮使发电机转速至零。跳开操作台所有开关之后，方可关断操作台上的操作电源开关。

四、实验报告要求

1．根据实验装置给出的参数以及实验中的原始运行条件，进行理论计算。将计算结果与实验结果进行比较。

2．认真整理实验记录，通过实验记录分析的结果对功率极限的原理进行阐述。同时对理论计算和实验记录进行对比，说明产生误差的原因。并作出Uz( )，P( ) Q( )特性曲线，对其进行描述。

3．分析、比较各种运行方式下发电机的功—角特性曲线和功率极限。

五、思考题

1．功率角指示器的原理是什么如何调节其零点当日光灯供电的相发生改变时，所得的功角值发生什么变化

2．多机系统的输送功率与功角 的关系和简单系统的功—角特性有什么区别

3．自并励和它励的区别和各自特性是什么

4．自动励磁调节器对系统静态稳定性有何影响

5．实验中，当发电机濒临失步时应采取哪些挽救措施才能避免电机失步

第五章   电力系统暂态稳定实验

一、实验目的

1．通过实验加深对电力系统暂态稳定内容的理解，使课堂理论教学与实践结合，提高学生的感性认识。

2．学生通过实际操作，从实验中观察到系统失步现象和掌握正确处理的措施。

3．用数字式记忆示波器测出短路时短路电流的非周期分量波形图，并进行分析。

二、原理与说明

电力系统暂态稳定问题是指电力系统受到较大的扰动之后，各发电机能否继续保持同步运行的问题。在各种扰动中以短路故障的扰动最为严重。

正常运行时发电机功率特性为：P1＝（Eo×Uo）×sinδ1/X1；

短路运行时发电机功率特性为：P2＝（Eo×Uo）×sinδ2/X2；

故障切除发电机功率特性为：  P3＝（Eo×Uo）×sinδ3/X3；

对这三个公式进行比较，我们可以知道决定功率特性发生变化与阻抗和功角特性有关。而系统保持稳定条件是切除故障角δc小于δmax，δmax可由等面积原则计算出来。本实验就是基于此原理，由于不同短路状态下，系统阻抗X2不同，同时切除故障线路不同也使X3不同，δmax也不同，使对故障切除的时间要求也不同。

 同时，在故障发生时及故障切除通过强励磁增加发电机的电势，使发电机功率特性中Eo增加，使δmax增加，相应故障切除的时间也可延长；由于电力系统发生瞬间单相接地故障较多，发生瞬间单相故障时采用自动重合闸，使系统进入正常工作状态。这二种方法都有利于提高系统的稳定性。

三、实验项目与方法

（一）短路对电力系统暂态稳定的影响

1．短路类型对暂态稳定的影响

本实验台通过对操作台上的短路选择按钮的组合可进行单相接地短路，两相相间短路，两相接地短路和三相短路试验。

固定短路地点，短路切除时间和系统运行条件，在发电机经双回线与“无穷大”电网联网运行时，某一回线发生某种类型短路，经一定时间切除故障成单回线运行。短路的切除时间在微机保护装置中设定，同时要设定重合闸是否投切。

在手动励磁方式下通过调速器的增（减）速按钮调节发电机向电网的出力，测定不同短路运行时能保持系统稳定时发电机所能输出的最大功率，并进行比较，分析不同故障类型对暂态稳定的影响。将实验结果与理论分析结果进行分析比较。Pmax为系统可以稳定输出的极限，注意观察有功表的读数，当系统出于振荡临界状态时，记录有功表读数，最大电流读数可以从YHB－Ⅲ型微机保护装置读出，具体显示为：

GL-     三相过流值

GA-     A相过流值

GB-     B相过流值

GC-     C相过流值

微机保护装置的整定值代码如下：

        01： 过流保护动作延迟时间 

02： 重合闸动作延迟时间

03： 过电流整定值 

04： 过流保护投切选择

        05： 重合闸投切选择 

另外，短路时间TD由面板上“短路时间”继电器整定，具体整定参数为表5-1。

表5-1

整定值代码	01	02	03	04	05	TD
整定值	(s)	/	(A)	On	Off	(s)

微机保护装置的整定方法如下：同时按“△”“▽”进入整定值修改画面。进入整定值修改画面后，通过“△”“▽”选01整定项目，再按压触摸按钮“＋”或“－”选择当保护时间（s）；通过“△”“▽”选03整定项目，再按压触摸按钮“＋”或“－”选择当过电流保护值；通过“△”“▽”选04整定项目，再按压触摸按钮“＋”或“－”选择当过电流保护投切ON；通过“△”“▽”选05整定项目，再按压触摸按钮“＋”或“－”选择重合闸投切为OFF。（详细操作方法WDT－ⅢC综合自动化试验台使用说明书。）

注：同时按下“+”“—”按钮可以恢复到出厂默认值。

  自动方式开机，建压，并网，待机组运行稳定后，在下面4种不同线路组合下做各种短路试验，观察并记录短路发生时的最大有功Pmax和最大短路电流。

表5-2       短路切除时间t=      

线路组合1：QF1＝1  QF2＝1  QF3＝1   QF4＝1  QF5=0   QF6＝1:

短路类型	Pmax(W)	最大短路电流（A）
单相接地短路
两相相间短路
两相接地短路
三相短路

   (0：表示对应线路开关断开状态    1：表示对应线路开关闭合状态)

表5-3       短路切除时间t=       

线路组合2：QF1＝0  QF2＝1  QF3＝0   QF4＝1  QF5=0   QF6＝1:

短路类型	Pmax(W)	最大短路电流（A）
单相接地短路
两相相间短路
两相接地短路
三相短路

表5-4       短路切除时间t=       

线路组合3：QF1＝1  QF2＝1  QF3＝0   QF4＝1  QF5=1   QF6＝1:

短路类型	Pmax(W)	最大短路电流（A）
单相接地短路
两相相间短路
两相接地短路
三相短路

  

表5-5       短路切除时间t=    

线路组合4：QF1＝0  QF2＝1  QF3＝1   QF4＝1  QF5=1   QF6＝1:

短路类型	Pmax(W)	最大短路电流（A）
单相接地短路
两相相间短路
两相接地短路
三相短路

2．故障切除时间对暂态稳定的影响

固定短路地点，短路类型和系统运行条件，通过调速器的增速按钮增加发电机向电网的出力，在测定不同故障切除时间能保持系统稳定时发电机所能输出的最大功率，分析故障切除时间对暂态稳定的影响。

一次接线方式：   QF1＝1  QF2＝1  QF3＝1   

QF4＝1  QF5= 0  QF6＝1

表5-6                               短路类型：

过流保护动作时间	Pmax(W)	最大短路电流(A)
(s)
(s)
(s)

例：QF1＝0  QF2＝1  QF3＝1   QF4＝1  QF5=1   QF6＝1

（二）研究提高暂态稳定的措施

1．强行励磁

在微机励磁方式下短路故障发生后，微机将自动投入强励以提高发电机电势。观察它对提高暂态稳定的作用。

2．单相重合闸

在电力系统的故障中大多数是送电线路（特别是架空线路）的“瞬时性”

故障，除此之外也有“永久性故障”。

在电力系统中采用重合闸的技术经济效果，主要可归纳如下：

（1）提高供电可靠性；

（2）提高电力系统并列运行的稳定性；

（3）对继电保护误动作而引起的误跳闸，也能起到纠正的作用。

对瞬时性故障，微机保护装置切除故障线路后，经过延时一定时间将自动重合原线路，从而恢复全相供电，提高了故障切除后的功率特性曲线。同样通过对操作台上的短路按钮组合，选择不同的故障相。

通过调速器的增（减）速按钮调节发电机向电网的出力，观察它对提高暂态稳定的作用，观察它对提高暂态稳定的作用。

其故障的切除时间在微机保护装置中进行修改，同时要设定进行重合闸投切，并设定其重合闸时间。其操作步骤同上，不同的是在05整定项目时，按压触摸按钮“＋”或“－”选择投合闸投切on，并选02整定项目时，按压触摸按钮“＋”或“－”设定重合闸动作延时时间。瞬时故障时间由操作台上的短路时间继电器设定，当瞬时故障时间小于保护动作时间时保护不会动作；当瞬时故障时间大于保护动作时间而小于重合闸时间，能保证重合闸成功，当瞬时故障时间大于重合闸时间，重合闸后则认为线路为永久性故障加速跳开整条线路。

 表5-7

整定值代码	01	02	03	04	05	TD
保护不动作				on	on
重合闸				on	on
永久故障				on	on

（三）异步运行和再同步的研究

1．在发电机稳定异步运行时，观察并分析功率，发电机的转差，振荡周期及各表的读数变化的特点。

2．在不切除发电机的情况下，研究调节原动机功率，调节发电机励磁对振荡周期，发电机转差的影响，并牵入再同步。

注意事项：

1．在做单相重合闸实验时，进行单相故障操作的时间应该在接触器合闸10秒之后进行，否则，在故障发生时会跳三相，微机保护装置会显示“GL-   ”，且不会进行重合闸操作。

2．实验结束后，通过励磁装置使无功至零，通过调速器使有功至零，解列之后按下调速器的停机按钮使发电机转速至零。跳开操作台所有开关之后，方可关断操作台上的电源关断开关，并断开其他电源开关。

3．对失步处理的方法如下：通过励磁调节器增磁按钮，使发电机的电压增大；如系统没处于短路状态，且线路有处于断开状态的，可并入该线路减小系统阻抗；通过调速器的减速按钮减小原动机的输入功率。

四、实验报告要求

1．整理不同短路类型下获得实验数据，通过对比，对不同短路类型进行定性分析，详细说明不同短路类型和短路点对系统的稳定性的影响。

2．通过试验中观察到的现象，说明二种提高暂态稳定的措施对系统稳定性作用机理。

五、思考题

1．不同短路状态下对系统阻抗产生影响的机理是什么

2．提高电力系统暂态稳定的措施有哪些

3．对失步处理的方法（注意事项3中提到）的理论根据是什么

自动重合闸装置对系统暂态稳定的影响是什么